एक विशाल टक्कर किसी ग्रह का वायुमंडल बचा सकती है

छोटे बाह्यग्रहों (exoplanets) के आकार मापिए तो वे दो समूहों में बँट जाते हैं: एक शिखर पृथ्वी की त्रिज्या के लगभग 1.3 गुना पर, दूसरा लगभग 2.4 गुना पर, और 1.75 पर एक गर्त। माना जाता है कि छोटे ग्रह नंगे चट्टानी ग्रह हैं — सुपर-अर्थ (super-Earths)। बड़े ग्रह, उप-नेपच्यून (sub-Neptunes), ऐसे चट्टानी ग्रह होंगे जो अब भी अपने आदिम वायुमंडल में लिपटे हैं, जो हाइड्रोजन से भरपूर है। तो कुछ ग्रहों ने बहुत सारी हाइड्रोजन ज़रूर खोई होगी। लेकिन किन्होंने, और कैसे?

जाना-पहचाना संदिग्ध

पृथ्वी के आकार के या उससे बड़े चट्टानी ग्रहों के बारे में अपेक्षा है कि वे अपने निर्माण के अंत में एक या अधिक विशाल टक्करें झेलते हैं, जिनमें से कुछ युवा तारे के चारों ओर की गैस-चक्रिका के बिखर जाने के बाद होती हैं। दो समूहों की एक लोकप्रिय व्याख्या इन्हीं देर से होने वाली टक्करों को दोष देती है: आघात ग्रह के प्रावार (mantle) को गर्म करता है, तपती सतह गैस को पलायन के लिए धकेलती है, और वायुमंडल वाला ग्रह एक सुपर-अर्थ में बदल जाता है।

शंघाई जियाओ टोंग विश्वविद्यालय (Shanghai Jiao Tong University) के डेरियस मोदिर्रुस्ता-गैलियन (Darius Modirrousta-Galian) और येल विश्वविद्यालय (Yale University) के जुन कोरेनागा (Jun Korenaga) का तर्क है कि यह तस्वीर बही-खाते का आधा हिस्सा छोड़ देती है। उनका अध्ययन पत्रिका Nature Astronomy में प्रकाशन के लिए स्वीकार कर लिया गया है।

बही-खाते का दूसरा पक्ष

टक्कर किसी ग्रह को केवल गर्म नहीं करती। वह द्रव्यमान भी जोड़ती है, और वह सारा द्रव्यमान उस गुरुत्वीय कूप को गहरा करता है जो वायुमंडल को थामे रखता है। इस बीच, टक्कर की ऊर्जा का केवल एक हिस्सा वास्तव में प्रावार को गर्म करता है:

टकराने वाले पिंड का धात्विक कोर प्रावार में से होकर नीचे गोता लगाता है, रास्ते में थोड़ी ही ऊर्जा छोड़ता है, और गहरे भीतर जा पहुँचता है, अब भी अत्यधिक गर्म;
पिघलती चट्टान तापमान बढ़ाए बिना, गुप्त ऊष्मा (latent heat) के रूप में ऊर्जा सोख लेती है;
जो ऊष्मा सतह तक पहुँचती है, वह वायुमंडल में ऊँचाई पर मंद पड़ जाती है। पलायन को नियंत्रित करने वाली परतों का तापमान तारे का प्रकाश तय करता है, नीचे की गर्म ज़मीन नहीं।

जिस ग्रह के द्रव्यमान का 30% उसका धात्विक कोर हो, उसके लिए टक्कर की ऊर्जा का लगभग 84% प्रावार में जाता है, जो विस्तृत टक्कर-सिमुलेशनों के अनुरूप है। टकराने वाले पिंड द्वारा सीधे छीनी गई गैस थोड़ी होती है; आघात-तरंग आम तौर पर वायुमंडल का लगभग 10 से 20% हटाती है। कुल मिलाकर, लेखक पाते हैं कि ग्रह की गुरुत्वीय पकड़ उसके प्रावार के गर्म होने से अधिक बढ़ती है: टक्कर के बाद, वायुमंडल पहले से अधिक कसकर थमा रहता है।

सौ मिलियन ग्रह

इसे पूरी आबादी पर परखने के लिए, टीम ने द्रव्यमानों, तापमानों, धात्विक कोरों और वायुमंडलों के यथार्थवादी फैलाव वाले 100 मिलियन ग्रहों का सिमुलेशन किया। हर सिमुलेशन-रन में, गैस-चक्रिका के जाने के बाद हर ग्रह के लिए एक विशाल टक्कर की संभावना, रन के अनुसार, 52, 63 या 74% है — ये मान ग्रह-निर्माण के सिमुलेशनों से लिए गए हैं — जिसमें टकराने वाला पिंड अंतिम द्रव्यमान के आधे तक का हो सकता है। फिर मॉडल 5 अरब वर्षों तक पिघले प्रावार के ठंडा होने और वायुमंडल के रिसने का अनुसरण करता है।

परिणाम परखी गई हर टक्कर-विधि के लिए दोनों देखे गए शिखरों को, लगभग 1.3 और 2.4 पृथ्वी-त्रिज्या पर और 1.75 पर गर्त के साथ, पुनः उत्पन्न करता है। दो नियंत्रण-सिमुलेशन (control runs) दिखाते हैं कि क्यों। किसी भी देर से होने वाली टक्कर के बिना, बहुत अधिक ग्रह नंगे रह जाते हैं। हर ग्रह के लिए एक टक्कर हो, तो बहुत अधिक ग्रह अपनी हाइड्रोजन बनाए रखते हैं। टक्करें ग्रहों को एक द्रव्यमान-दहलीज़ के पार धकेलकर संतुलन तय करती हैं, जिसके ऊपर हाइड्रोजन टिकी रहती है।

जितनी बड़ी टक्कर, उतना सुरक्षित वायुमंडल

पूरा वायुमंडल खोने की संभावना ग्रह के आरंभिक द्रव्यमान और टकराने वाले पिंड के हिस्से के बढ़ने के साथ घटती है। लेखक टकराने वाले पिंड के उस हिस्से के लिए एक सरल वक्र फ़िट करते हैं जिस पर केवल 1% ग्रह सब कुछ खोते हैं: χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794, जहाँ χ टकराने वाले पिंड का द्रव्यमान बटा अंतिम द्रव्यमान है और M पृथ्वी-द्रव्यमानों में आरंभिक द्रव्यमान। 5 पृथ्वी-द्रव्यमान से शुरू होने वाले ग्रह के लिए, यह अंतिम द्रव्यमान के लगभग एक-चौथाई का टकराने वाला पिंड है; वक्र के ऊपर, ग्रह लगभग हमेशा अपना आदिम वायुमंडल बनाए रखते हैं।

उप-नेपच्यूनों के भारी हृदय

अगर टक्करें ग्रहों को अपनी हाइड्रोजन बनाए रखने में मदद करती हैं, तो उप-नेपच्यून संभवतः अधिक टक्करों के ज़रिए बढ़े हैं और उनके भीतर सुपर-अर्थ की तुलना में अधिक भारी चट्टानी आंतरिक भाग हैं। मापे गए ग्रह पहले से इसी ओर इशारा करते हैं: उप-नेपच्यूनों का वज़न लगभग 4 से 5 पृथ्वी-द्रव्यमान से अधिक है, सुपर-अर्थ का उससे कम। लेखक उन उपकरणों की सूची देते हैं जो इस विचार को परख सकते हैं — बड़े ग्रहों के वायुमंडलों में हाइड्रोजन खोजते JWST, Ariel और Twinkle, उन्हें तौलते PLATO और JUST, और छोटे, अधिक दूर के संसारों तक पहुँचने वाली नैन्सी ग्रेस रोमन अंतरिक्ष दूरबीन (Nancy Grace Roman Space Telescope)।